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1、第3 6 卷第1 0 A 期2 0 0 9 年1 0 月计算机科学C o m p u t e rS c i e n c eV 0 1 3 6N o 1 0 A0 C t2 0 0 9面向精准农业的无线传感器网络系统W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r kS y s t e mi nP r e c i s i o nA g r i c u l t u r e张瑞瑞h 2陈立平1 2徐刚h 2李宏亮1 2，s(国家农业信息化工程技术研究中心精准农业部北京1 0 0 0 9 7)1(国家农业部农业信息技术重点开放实验室北京1 0 0 0 9 7)2(首都师范大学
2、信息工程学院北京1 0 0 0 4 8)3摘要针对精准农业实施中田问信息获取的迫切需求和现有田间信息采集系统的局限性，设计了面向大田精准农业应用的田间信息采集无线传感器网络系统。以A t m e g a l l 2 8 L+C C l 0 0 0 为核心设计了田间信息采集网络节点，并从软硬件实现和网络协议设计角度阐述了节点的主要特点。基于LP l C 2 2 1 0 和G P R Sm o d e m 模块设计了田间W S N-G P R S 网关，实现了数据的远程传输；开发了P c 软件F i e l dV i e w l 2，它具有对田间传感器网络及数据的管理功能。系统为田问信息获取提供了
3、工具。关键词无线传感器网络，精准农业，G P R S，信息采集系统中图法分类号S 1 2 6文献标识码B精准农业是现代信息技术成就的一次作物栽培学革命，其含义是按照田间每一操作单元的具体条件，准确调整土壤和作物管理措施，优化投入，提高经济效益，从而实现节约土地资源和保护农业生态环境。近些年，随着全球环境恶化和对农产品质量、安全的重视，人们越来越重视精准农业的发展。田间信息的采集是精准农业实施中的关键一环。国内外已有科研人员将无线传感器网络(W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k，W S N)技术应用于田间信息采集 1 卅，支持精准农业的实施。本文设计了一
4、种基于周期性数据采集的传感器网络系统。系统大部分节点采用电池作为电源，功耗较低，可在较长时间持续工作；结合农田信息处理的要求，开发了系统管理软件F i e l dV i e w1 2，实现了对网络及数据的有效管理。系统对田问环境信息长时间持续监测记录，以满足农业科研人员的田间信息需求，推动精准农业的实施。1 系统结构设计基于当前传感器网络的技术发展情况，并借鉴国内外研究经验，设计了该系统，其结构如图1 所示。系统由分布于农田的网络节点、网关和远程管理中心3 部分组成。网络节点包括由电池供电的传感节点N o d e 和放置在田垄上的由太阳能系统供电的群头节点H e a d，两者在田间的拓扑关系一
5、般如图1 所示。N o d e 节点以1 小时为周期，采集土壤的温度、湿度、电导率及田间小环境空气温湿度信息、光照度、有效辐射强度等信息，并与群内节点配合以多跳的形式发送到H e a d 节点。H e a d 节点控制N o d e节点，实现网络启动、采集周期修改及故障恢复等。H e a d 节点组成M e s h 网络，将信息汇聚到田间的G P R S 网关设备。网关提取数据包中的有用信息，进行本地存储，并将数据发送到远端管理中心。远端数据管理中心负责田间网络的状态监测和数据的接收、存储、时空分析、共享。图1 系统结构图本文受北京市自然科学基金(4 0 9 2 0 1 8)，国家科技支撑计划
6、(2 0 0 7 B A D 4 4 8 0 6)资助。张瑞瑞(1 9 8 3-)，男，工程师。主要研究方向为精准农业无线传感器网络，E m a i l：z h a n g r r n e r c i t a o r g c n；陈立平(1 9 7 3 一)，女。博1：，研究员，主要研究方向为精准农业关键技术；徐刚(1 9 7 9 一)，男，工程师，主要研究方向为精准农业无线传感器网络；李宏亮(1 9 8 2 一)，男，硕士生，主要研究方向为传感器网络技术。3 1 0 2 系统实现2 1 网络节点H e a d 节点硬件是在N o d e 节点基础上，去掉外部传感器，井增加太阳能供电设备组成，
7、软件实现上也与N o d e 节点相似，所以，下面重点描述传感节点N o d e 的设计。(1)硬件组成节点硬件主要包括农田环境参数传感器、射频通信电路、控制器、电源以及扩展接口等几部分，它可以实现对农田土壤温湿度、电导率、田间小环境空气温湿度、光照度、有效辐射强度等参数的获取。节点的多路模拟数字扩展通道、R S 2 3 2、S D 卡等扩展接口，可以根据实际斋蔓扩腱连接。圉2 是传感器节点硬件结构囝，圈3 是节点在田间应用的实物图。，V1呈面芝三。鸳旦J芝黼=三o t、蕊爵硅嚣：i z：警#|t“自r一oLm R r t 日uI 下2 n+。一图2 传感嚣*点诬件结构留图3 节点在m 间应用
8、的宴物目传感器实现农田信息到控制器可识别的电信号的转换。节点能量有限、处理能力低和体积要求小等特点限制了传感器的选择。土壤温湿度电导率传感器采用美国1)e c a g o n 公司的低功耗E C H5 T E：7 宴现；地表空气温湿度 毒感器选川瑞十S e n s i r i o n 公司的徽功耗S H T I I 数字传感器“-。光照度采集选用C l a i r e x 公司的C I 9 P 4 I 并配以相应的校正算法-9”1 加以实现。有教辐射强度利用美国L IC O R公司的I Ju 1 9 I S A 实现“J。节点控制器和射频通信电路部分，采用典型的A T m e g a l 2
9、8 I，+C C l 0 0 0 结构，C P U 晶振源选择73 7 2 8 M H z，异步计时器品振豫选择3 27 6 S k B a。对C C l 0 0 0 适当配置，使其工作在4 3 3 M H z 颠段。在农田中不宜放置体积较大的设备，所以选择2 节A A 原电池串联作为电源。(2)软件开发基于农业监测周期长的特点。传感器节点软件设计的关键是既能有教地实现所需要的功能又能最大限度地降低系统能耗。实验袁吩，节点通信所用能耗要远远大于处理器，所以，在软件系统的设计中要尽可能地使节点的射频通信电路处于休眠状态。软件系统基于宁渡中科集成电路设计中心G A I N S 平台开发。采用模块化
10、的方法设计，根据功能将软件分为中断处理模块、功耗管理模块、通信协议模块和节点的硬件驱动模块。中断处理横块负责处理异步事件，盘【定时、传感器数据采集、射频数据收发等。平台利用基于优先缓的静态谓度形式管理系统任务t 并留有两个虚拟定时器，非常有利于用户定时性任务的开发”“。每隔2 0 分钟，控制器A F m e g M 2 8 I 被异步定时器0 中断唤醒2 s，来读取各传感器及系统电压数值，然后进 睡眠，这样连续采集三次后即每隔2 0分钟4 秒控制器唤醒C C l 0 0 0l 鸭，并调甩通信协议程序完成传感器数据采集和射频发送。节点通信协议基于4 屡模型设计，南下至上依次是P h y s i
11、曲lL a y e r，M A CL a y e r R o u t i n gl a y e r 和A p p l i c a t i o nL a y e r。底层采用A S M A C 通信协议，上层根据应用的具体要求，加人了故障恢复、体眠控制等功能模块。在文章第4 节将结台同络的工作流程，详细嘲连节点的通信协议设计。2 2 两若与网络节点相比，嗣关要承担较大的数据处理和通信任务量要求处理器要有较高的处理能力和运行速度。选择具有丰富片上资社6 l 的L P C 2 2 1 0 作为处理器，并移植u C O S-I I 嵌 式实时操作系统定制开发。坶关功能结构如图4 所圻。瞬美启动后，首先
12、发送查询指令，寻找周围的节点设备，井记录各节点I D 及路由路径然后给G P R S m o d e m 上电并执行与远端服务器的连接程序。连接成功井收到服务器的回馈信息后，向服务器注册网荚l I)，报告自身工作模式及刚间传感器网络节点】I)和路由路径信包，收到服务器确认信息后进人接收状态。当接收到嗍络数据包后，提取节点3 l l m、传感器数据、包序号，并附上当前时间后，存人S D 卡。当通过G P R S 链路收到来自服务器的数据查询指令后，处理器便根据服务器给出的查询时间段，从S D 卡中提取并通过R S 2 3 2 串口发送给G P R Sm o d e m。管理中心收到网关发送的信息
13、，确认无误后，向网关回复确认指令。iI 基-I-一B e n q M 2 3 G 警啦：5 D W,武-一；昧存储电路F 能 J G P R S M o d e m r i!l：。一l 一l。I r?R S 2 3 2：然l 署西篓，；1 2 V m S V 畦,1 2 V 3 3 VC,f l，|基于R 瑚1 9 A sj 电压转换电路j!r ii 蔷赢淼孑际磊二系统=二f图4 网关功能结构示意图3 网络协议如图5 所示，网络中节点类型包括与网关连接的S i n k 节点、H e a d 节点和N o d e 节点。N o d e 节点周期性休眠，H e a d 节点无休眠。节点m 定义为u
14、 n s i g n e di n t 类型，编号如图中所示，高1 6 位用来标识节点所在的网络群，低1 6 位是节点的群内I D，控制单个网络群节点数量不大于2 0。下面从网络启动、采集周期修改和故障克服3 个方面阐述网络协议的设计。图5 网络拓扑结构及节点编号示意图(1)网络启动过程节点上电复位并初始化完成后，进入接收状态，等待来自S i n k 的指令。S i n k首先向网络广播查询指令，收到查询指令的网络节点向S i n k 确认，并在确认包中加入节点传递路径。接着，S i n k 向网络中的H e a d 节点多播网络时间同步指令码“0 x 1 00 x 2 0O x 3 0”，H
15、 e a d 节点收到时间同步指令码后，根据自身的I D，产生一定时间的延时T I(T 1=(I D 8)*1 0 s)后，向自己的群内节点广播群时间同步指令码“0 x 1 10 x 2 20 x 3 3”。群内N o d e 节点收到该字符后，根据自身I D 编号，延时一定时间T 2(T 2 一(I D&O x O O f f)*4 0 0 m s)，然后向3】2 群头节点回复确认信息，启动节点休眠倒计时器，并侦听网络：如果在l O s 内没有侦听到本群内的其他节点发送数据，则进入休眠；如果侦听到有群内其它节点在发送信息，则将休眠时间后延3 s，以此类推，直到进入休眠。H e a d 节点收
16、到群内所有N o d e 节点的确认数据包后，向S i n k 回复确认信息。S i n k收到所有H e a d 节点的确认数据包后，向远端管理中心报告网络“启动成功”。N o d e 节点向群内H e a d节点发送完确认信息后，即在异步定时器0 和两个虚拟定时器的控制下，进入休眠一唤醒一采集一发送一侦听一休眠的循环任务序列中。节点将一直执行该任务通到电源耗尽为止。H e a d 则会一直侦听接收本群内N o d e 节点的数据，并转发群内N o d e 节点和其他H e a d 节点数据。(2)采集周期修改事件当网络需要对采集时间调整时，远端管理中心首先将指令包发送给S i n k，S
17、i n k 收到并确认后，根据上次收到数据包的时间和当前采样周期，选择在网络空闲时，将指令包发送给H e a d。H e a d 收到确认后，等待下一个N o d e节点工作时隙，并在有群内N o d e 节点向其发送数据完成后，向N o d e 节点广播时间修改指令。N o d e节点在收到时间修改指令后，向S i n k 回复时间修改成功，然后进入3 s 休眠倒计时流程，等待进入休眠。(3)故障克服事件H e a d 节点会统计每个工作时隙内群内节点数据包，记录每个节点数据包的接收情况。如果群内有3 个以上节点连续3 次的数据包没被H e a d 接收到，则H e a d 会在下一个时隙控
18、制群网络进入“故障工作模式”。“故障工作模式”是指节点停止原来的固定周期采样，进人由H e a d 控制的调度休眠模式。H e a d 会按照一个随机算法，控制群网络工作时隙，以查询故障节点的发送时隙，并控制其进入正常工作模式。4 远端管理中心远端管理中心是一台具有公网I P 地址的服务器，在其上运行有V i s u a lC+开发的管理软件F i e l dV i e w1 2(图6)，软件完成田问传感器网络管理，网络数据的接收、存储及时空分析和数据的使用共享服务等功能l3 I。(1)田间传感器网络管理该功能模块主要是判断节点发送上来的节点电压和工作环境温度数值，在电池电压低于2 7 V 时
19、，给出节点低压提示；统计某段时问内收到的各节点数据次数，判断当前网络的健康程度；与网关配合完成网络的启动和故障修复等功能。(2)网络数据的接收和存储F i e l dV i e w1 2软件的该功能模块，实时监听指定端口网关的T C P链接建立指令，来建立T C P 链路。连接建立后，软作接收数据流井将数据暂时存 计算机缓存。数据处理线程根据协i 义，从缓存中提取数据、解析，并做校验判断，校验错误的数掘抛弃正确的数据提取位定义信息，通过A D ON E T 存人服务器中的M Ss Q I，S e r v e r2 0 0 5 数据库。=口目=Iu圈6 管理软件实时监捌分析界面(3)数据时空分折
20、软件将G I S 的数据管理分析功能与田问无线传感器网络相结合，并借助于插值算法，宴现动态的田问土壤湿度罔、光照度图、土壤温度围等。需要指出的是，由于普通板载G P S 模块和当前的射频定位算法精度都还不够理想，而且传感器节点一般在一次放置后位置不会移动所以节点位置在网络建立时，采用差分G P S 设备一次标定并生成分布圈，然后导 到F i e l dV i e w 中使用。软件还可以选择节点、时间段和参数，绘制数据曲线，分析不同参数、不同节点随时空的连续变化情况。(4)数据使用和共享层为了让用、更好地使用和共享数据，系统实现了包括浏览器和目务器结构(B r o w s e r s e r v
21、 e r，B S)、客户机和服务器结构(C l i e m S e r v e r，C S)以及W e bS e r v i c e3 种共享模式。通过B S 模式能够实现对数据的访问，达到更广范丽的数据共享。但是在B I S 模式下无法进行高教的数据处理、统计和分析，而C S 模式通过充分利用两端硬件环境的优势恰好能够 黹足这一蒋求。上述两种模式，只是用户层面上的数据共享，而W e l 5s e r v i c e 技术可以实现应用系统层而上的数据共享。结束语奉史结合田问信息采集无线传感器同络系统t 从传感器节点设计、网络协议以及P c 管理软件等方面阐述了系统的宴现方法。该采绕虽然是引对农
22、田信息采集领域蹬计的，但是其月j 到的设计方法和思想，对环境监测森林防火等系统的应用都有若借鉴意义。该系统目前已在国家特准农业小汤山示范基地进行了示范性应用，从近一年的运行情况看系统能够达到最初的设计目的，具有使用性。但是限于作者水平，系统还有许多不完善的地方，我们也将在以后的工作中对系统逐步完善。希望能够通过此文，达到把砖引玉的目的，引起同行的*注和兴趣，开发设计更n q 优良完善构太疆精准农业无线传感器阿络系统从而推动精准农业在我国的实施。参考文献1 j 地o Rh n H I a d P s MA M a S Ge ta LAZ i g B e e m u l lp o w e r e
23、dv&e l“u s i t l o nd e f o r j l】删s i ap r e f i d o n 仙“l n 职口 c 咖p 眦r sa n d 日i n r l“l n】f e 2 0 9 8 6 2(2)9 4】0 6 2 临J m bsu h l l l w l l 粥s 蛳N c l 啦r k s hV i M y a z d M o n i,o d a g C M o b i hA d h a n d 9 删rs 哪目(M A S S)，2 0。6 E E I n 1 C o n k(k t2 0 0 5：5 4 25 4 5 朝#E 急毕，E ，等|f t 传癌B 日
24、培日&4 目g g n*”；*0#Hz I t 瑚8，3 8(3)：6 0 4-6 0 8“M o r“$R，u I A&删o c A R l k b f删啪a m n E“”M c 田1 W C C AV i a l 岫l n 础2 0 0 58 4 5 g$o 朝B 啦l o A M d 州i ni 唧“1 m M C 3P m 删删f t h e“b b I-w o,d w i,e l 嘲t 帅r h(R E A W S N2 0 0 5)S t*k h o l m s 岫n 2 0 0 5I s B c t r m e lJ，B r o o k e T，B e c k c&h I LV
25、 m e y a r d(h s N e w,k si nA B“I u Hp r c d 旧i v n 口 h cC o m p u-l i n g 2 4 t 3(1)3 84 5 7 E C H5T EP h O 邮,o v s L m D w 咄1 舱h Pp，w u 蛔o nc 0 _“h 腓“w n l o a d kp h p口 S H T I I Id a l a s M e tS E N S I R I O NA Gh u p l，”o n 删0 lh u m i d n y 州，0 0h u m i d h ys h 2 m 的G m 瑚nJ g。g I A M，w Y】洲
26、d T o t a l sd e m a n d-M“i n t e l l i g e n t I k h t i n g w i t h w ir d“g“D 明n 1“咖E n g i n*r l n gs d e 口o n hA m e r i 0 m k e m P f d 2 0 0 42 6 5-2 4 1 0 3W e n YJ G f 础瑚n】，A g 删A MT o*o a d s r o b：t i d e dwr e l 嘲i n t e l l i g e n t“曲t。w b m e r c u lb u l l m 耐蜘P 积州m 口。【t h e h s l i
27、 t u t eo f E I 毗n 叫a n dE l 瞄D g nc。n k s d 啪rN e t w o r k o2 0 0 6 1 1 R“州1 心e n BL I 怕r“o 咄i n c h t t p，l i a re n“p D F R M“r 1 胡I f A S,M A C*W S N*&c K t*S 女R*日自a 镕#S 拄末，粥5 1 观t 自*，*m m ，A 日g*口e E*#w W e b&$&M$R&I E m 2 0 0 8“(S u p pz)2 7 92 8 2巢谢n 置臻一瀛一面向精准农业的无线传感器网络系统面向精准农业的无线传感器网络系统作者：张瑞
28、瑞，陈立平，徐刚，李宏亮作者单位：张瑞瑞,陈立平,徐刚(国家农业信息化工程技术研究中心精准农业部 北京 100097 国家农业部农业信息技术重点开放实验室 北京 100097)，李宏亮(国家农业信息化工程技术研究中心精准农业部 北京 100097 国家农业部农业信息技术重点开放实验室 北京 100097 首都师范大学信息工程学院 北京 100048)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.刘卉 GPS-OEM在精准农业领域中的应用实例期刊论文-全球定位系统2003,28(2)2.曹宏鑫.杨余旺.葛道阔.陈春 基于PDA的农业信息终端系统研究会议论文-20073.屈景辉.廖琪梅.高新
29、锁.乔璐.Qu Jinghui.Liao Qimei.Gao Xinsuo.Qiao Lu 基于GPS和蓝牙技术的便携式农田信息采集系统期刊论文-国外电子测量技术2009,28(11)4.刘立新.梁鸣早 推荐一种能提高肥料功能的施肥法药食同源平衡施肥法期刊论文-中国土壤与肥料2009(3)5.车艳双.李民赞.郑立华.邓小蕾 基于GPS和PDA的移动智能农田信息采集系统开发会议论文-20106.王纪华.赵春江.刘良云.郑文刚.王秀.黄文江 基于数字技术的农田信息快速获取与表达会议论文-20057.张永华.鲍苏苏.冯刚.ZHANG Yong-hua.BAO Su-su.FENG Gang 基于PDA的无线办公系统的设计期刊论文-现代计算机（专业版）2006(8)8.刘卉.孟志军.李传中.柏玲.LIU Hui.MENG Zhijun.LI Chuanzhong.BAI Ling 农业区域环境监测传感器网络的设计方法期刊论文-热带农业工程2010,34(6)9.基于GIS的耕地改良利用分区研究以山东章丘市为例期刊论文-地理与地理信息科学2009,25(6)10.梁艳萍.赵昉 精细农业在我国的发展现状分析期刊论文-农机使用与维修2010(6)本文链接：http:/